Піщаний фільтрувальний пристрій

1. Піщаний фільтрувальний пристрій для обробки води, що включає в себе по суті циліндричне вмістище (2) з поздовжньою віссю, яке має всередині плиту (7), яка ділить вмістище на верхню зону та нижню зону, в якому всередині верхньої зони розташований фільтрувальний шар (6), який складається з одинарного шару піску висотою Н, визначеною за рівнянням b-v H=a·e , де параметр "а" має величину від 500 до 800, параметр "b" має величину від 0,020 до 0,045, а швидкість фільтрування "v" становить 40-70 м/год. 2. Фільтрувальний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що параметр "а" дорівнює приблизно 580, параметр "b" дорівнює приблизно 0,029, а швидкість фільтрування приблизно дорівнює 50 м/год. 3. Фільтрувальний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що форсунки (9) встановлені у відповідні отвори, які рівномірно розташовані на поверхні плити (7). 4. Фільтрувальний пристрій за п. 3, який відрізняється тим, що нижня зона має у донній частині (4) відвід або трубу (8') для виведення фільтрованої води, зливання залишків води з фільтрувального шару та подавання води для зворотного промивання. 5. Фільтрувальний пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що форсунки (9) мають трубчасті елементи (14), у яких виконані два вертикальні поздовжні прорізи (15, 15') для пропускання повітря 2 (19) 1 3 95987 4 відповідно становить від 60 м/год. до 110 м/год. та від 11 м/год. до 14 м/год. 12. Спосіб зворотного промивання за п. 10, який відрізняється тим, що поверхню контактування повітря з водою зберігають плоскою та незмінною протягом усього зворотного промивання, і таким чином забезпечують відсутність різких змін швидкості потоку повітря та води на форсунках (9) для того, щоб зберегти рівномірність зворотного промивання. Галузь застосування винаходу Винахід має відношення до піщаного фільтрувального пристрою, який має застосування на станціях очищення води, зокрема, в установках очищення природної, оборотної та охолоджувальної води. Рівень техніки Відомі різноманітні піщані фільтрувальні пристрої, які застосовуються у системах очищення води. Однак такі пристрої мають численні недоліки, такі як: - утворення поверхневих корок із частим виникненням явища засмічування фільтра, внаслідок чого виникає необхідність частого зворотного промивання; - неможливість досягнути високих швидкостей фільтрування, внаслідок чого системи вимагають збільшення кількості фільтрів; - необхідність у шарі антрациту над шаром піску для відфільтровування масел та жирів, які знаходяться у забрудненій воді; - високі капітальні та експлуатаційні витрати. Виходячи з цього, існує необхідність у створенні системи піщаного фільтрування, яка уможливлює подолання згаданих вище недоліків. Суть винаходу Основною метою винаходу є створення піщаного фільтрувального пристрою для обробки води в установках очищення природної, оборотної та охолоджувальної води, який включає в себе одинарний фільтрувальний шар, або просто фільтр, який уможливлює отримання відмінно очищеної води та має високу експлуатаційну довговічність з високими швидкостями фільтрування. Додатковою метою цього винаходу є створення високоефективного, здатного тривалий час забезпечувати ефективність фільтрування способу зворотного промивання фільтрувального пристрою. Таким чином, за цим винаходом запропоновано досягти вищезгадані цілі шляхом застосування піщаного фільтрувального пристрою для обробки води, який за п. 1 формули винаходу включає в себе по суті циліндричне вмістище з поздовжньою віссю, яке має всередині плиту, яка ділить вмістище на верхню зону та нижню зону, в якому всередині верхньої зони розташований фільтрувальний шар, який складається з одинарного шару піску висотою Н, визначеною за рівнянням b-v H=a·e , де параметр "а" має величину від 500 до 800, параметр "b" має величину від 0,020 до 0,045, а швидкість фільтрування "ν" становить 40-70 м/год. Інший аспект винаходу має відношення до способу зворотного промивання вищезгаданого фільтрувального пристрою, який за п. 10 формули винаходу включає такі операції: - зливання призначеної для фільтрування води, яка міститься у верхній зоні вмістища, доки рівень води не наблизиться до верхньої поверхні фільтрувального шару; - подавання зворотного потоку повітря для прочищення головки та утворення бульбашок повітря у фільтрувальному шарі протягом приблизно 1 хв.; - подавання зворотного потоку повітряноводної суміші для видалення з фільтрувального пристрою відділеного бруду протягом часу, необхідного для зміни води, що знаходиться у об'ємі ліску, щонайменше 10 разів; - подавання зворотного потоку лише води протягом 2-5 хв. для отримання рівномірно та однорідно осадженого шару; - остаточне промивання потоком у напрямку фільтрування для підготування фільтрувального пристрою до здійснення фільтрування та для видалення бруду, не видаленого під час виконання операції зворотного промивання. За варіантом, якому віддається перевага, згадане співвідношення між висотою фільтрувального шару, розміром застосованого зерна піску та швидкістю фільтрування забезпечує визначення розмірів фільтрувального шару таким чином, щоб забезпечити оптимальні умови фільтрування при високих швидкостях. Фільтрувальний пристрій, який є предметом цього винаходу та придатний для ефективної роботи зі швидкостями фільтрування, які можуть також досягати 70 м/год, забезпечує отримання таких переваг: - він уможливлює створення фільтрувальних систем, які використовують приблизно половину кількості фільтрувальних елементів у порівнянні зі звичайними фільтрами; - він уможливлює виготовлення більш компактного та більш раціонального обладнання зі значним зменшенням капітальних та експлуатаційних витрат. За варіантом, якому віддається перевага, пристрій за цим винаходом має велику висоту одинарного фільтрувального шару для збільшення шляху фільтрування та відносно крупнозернистий пісок, що уможливлює застосування більшого фільтрувального об'єму та більш рівномірного розподілення бруду, який міститься у очищуваній воді, по згаданому об'єму та уникнення утворення поверхневих корок, а отже й частих засмічень фільтрувального пристрою. Завдяки цим особливостям пристрій за винаходом не вимагає шару антрациту над шаром піску, що має місце у відомих фільтрах, для відфіль 5 тровування масел та консистентних мастил, які знаходяться у забрудненій воді, що дає значну економію капітальних та експлуатаційних витрат. Залежні пункти формули відповідають варіантам здійснення винаходу, яким віддається перевага. Докладний опис фігур Додаткові відмінності та переваги цього винаходу стануть зрозумілішими з подальшого докладного опису варіанта його здійснення, якому віддається перевага, але який не є виключним та єдино можливим, ілюстрованого лише у вигляді прикладу, який не обмежує суті винаходу, супровідними фігурами, на яких: Фіг. 1 являє собою схематичний розріз фільтрувального пристрою за цим винаходом; Фіг. 2а та Фіг. 2b являють собою розрізи вздовж взаємно перпендикулярних площин одного з вузлів пристрою, показаного на Фіг. 1; Фіг. 3 являє собою вигляд зверху другого вузла пристрою за цим винаходом; Фіг. 4 являє собою вигляд збоку третього вузла пристрою за цим винаходом; Фіг. 5 являє собою збільшений місцевий вигляд фільтрувального пристрою, показаного на Фіг. 1. Докладний опис варіанта здійснення винаходу, якому віддається перевага На фігурах показаний фільтрувальний пристрій, в цілому позначений позицією 1, розташований усередині по суті циліндричного сталевого резервуара або вмістища 2, що має вертикальні стінки 3, донну частину 4 та кришку 5. Резервуар 2 усередині розділений на дві зони плитою 7. У верхній зоні розташований фільтрувальний шар 6, який включає в себе одинарний шар відповідним чином вибраного піску. Звичайно фільтрувальний шар 6 розташований на тонкому шарові відносно крупного гравію 30, який у свою чергу розташований на плиті 7 та не виконує фільтрувальної функції. Воду, яка підлягає очищенню, подають на фільтрувальний шар 6 через центральну трубу 8, розташовану вздовж поздовжньої осі резервуара 2. Така труба 8 має вхідну секцію 10 для води, яка піддягає фільтруванню, розташовану поблизу донної частини 4 резервуара, та вихідну секцію для згаданої води поблизу кришки 5. За варіантом, якому віддається перевага, застосування одинарного шару фільтрувального піску уможливлює підвищення рівномірності використання фільтрувального шару. Розмір зерна піску, відносно крупний та однорідний, уможливлює досягнення високих швидкостей фільтрування з метою використання фільтрувального шару у його глибині, а отже розподіляння бруду по усьому шарові, що дозволяє уникнути утворення поверхневих корок і відповідно виникнення явища раннього засмічення фільтрувального пристрою. Додаткова перевага полягає у тому, що фільтрувальний шар 6 має таку визначену висоту, яка забезпечує більший фільтрувальний об'єм та довший шлях фільтрування у порівнянні із звичайними фільтрами; це також уможливлює продовження часу використання фільтра до виникнення необ 95987 6 хідності здійснення зворотного промивання завдяки зниженню швидкості його засмічування. Для правильного визначення розмірів фільтрувального шару або одношарового фільтра 6 за розміром застосованого зерна за варіантом, якому віддається перевага, було визначено математичне співвідношення, яке визначає оптимальну висоту шару: b-v HOPTIMAL= a·e , де "а" та "b" - параметри, що залежать від розміру зерна піску, a "v" - швидкість фільтрування. Це рівняння показує логарифмічну залежність висоти шару та швидкості фільтрування. Параметр "а" має величину від 500 до 800, а параметр "b" має величину від 0,020 до 0,045. Виявилося, що розмір зерна, який забезпечує найкращі характеристики, становить 1,0-2,0 мм, для якого величина "а" приблизно дорівнює 580, а величина "b" приблизно дорівнює 0,029, що уможливлює отримання швидкості фільтрування щонайменше 50 м/год за висоти фільтрувального шару 6, що дорівнює приблизно 2,5 м. За таких умов, якщо вхідна концентрація частинок, суспен-1 дованих у вхідному мулі, дорівнюватиме 80 млн , можливо отримати максимальну вихідну концент-1 рацію всього лише 10 млн . Було виявлено, що менший розмір зерна, який дорівнює 0,7-1,0 мм, вимагає тоншого фільтрувального шару, однак є занадто тонким для уможливлення розподілення бруду на весь фільтрувальний шар, що за варіантом, якому віддається перевага, є умовою для продовження часу роботи до виникнення необхідності здійснення зворотного промивання. Додатково було виявлено, що більші розміри зерна, які перевищують 2 мм, вимагають застосування занадто великої товщини фільтрувальних шарів у фільтрах прийнятних розмірів із більшими швидкостями фільтрування, що дорівнюють або перевищують 50 м/год. Фільтрувальний шар 6 підтримує плита 7, на якій рівномірно розташовані форсунки 9 типу, наприклад, описаного у патентній заявці DE202004006883. За варіантом, якому віддається перевага, згадані форсунки виконані з поліпропілену або поліпропілену, армованого скловолокном, встановлені в отвори в плиті 7 та прикріплені до неї за допомогою стопорної гайки. Головки 13 форсунок заглиблені у тонкий шар крупного гравію 30, який утворює основу для фільтрувального шару 6. Призначенням форсунок 9 є забезпечення як виходу води під час фільтрування, так і розподілення зворотного потоку повітря та/або води під час зворотного промивання. Під час фільтрування кожна з форсунок 9 уможливлює прохід фільтрованої води через дуже вузькі прорізи 12, виконані у поверхні її головки 13, після чого її вихід знизу через трубчастий елемент 14, що поблизу кінця має переріз круглої форми, у нижню зону резервуара 2. Прорізи 12 форсунок 9 виконані так, щоб звести до мінімуму ризик забруднення головки. Нижня зона резервуара 2, виконана з можливістю збирання фільтрованої води з трубчастих елементів 14, розташована у донній частині 4 з відводом або трубою 8', призначеною 7 для виведення фільтрованої води, а також для зливання залишків води з фільтрувального пристрою та подавання води для зворотного промивання. Два вертикальні прорізи 15 та 15', які за варіантом, якому віддається перевага, розташовані в осьовому напрямку, мають чітко визначене призначення, яке полягає у наскрізному пропусканні повітря під час зворотного промивання, та за варіантом, якому віддається перевага, розташовані у нижній частині кожного з трубчастих елементів 14; подавання води для зворотного промивання в форсунки за варіантом, якому віддається перевага, відбувається через отвір у нижньому кінці трубчастого елемента 14. Повітря та вода перемішуються вже всередині трубчастого елемента, а потім перемішуються більш активно під час проходження через прорізи 12 головки 13. За варіантом, якому віддається перевага, поверхню контактування повітря з водою у нижній зоні резервуара 2, яку також називають дзеркалом або "меніском", підтримують на висоті між прорізами 15, 15' та нижнім кінцем трубчастого елемента 14, так щоб завжди залишати проміжок для потрапляння повітря щонайменше через один зі згаданих прорізів. За варіантом, якому віддається перевага, цей меніск є плоским та незмінним протягом усього зворотного промивання, таким чином забезпечуючи відсутність різких змін швидкості потоку повітря та води на форсунках для того, щоб зберегти рівномірність зворотного промивання. Подавання повітря для зворотного промивання відбувається через кожух 16, співвісно розташований ззовні центральної труби 8 подавання води. Повітря потрапляє у кожух 16 через трубу 22. Згаданий кожух 16 з'єднаний з множиною розподільників 17 повітропроводів, які за варіантом, якому віддається перевага, розташовані зіркою у подобі диска циферблата під плитою 7, та за варіантом, якому віддається перевага, їх кількість дорівнює шести, як показано на Фіг. 3. Форсунки 9 за варіантом, якому віддається перевага, розташовані на згаданій плиті у секторах кола, утвореного диском із розташованими зіркою розподільниками 17. За варіантом, якому віддається перевага, кожний розподільник 17 має прямокутний переріз та має отвори 18 у вигляді щілин із вертикальною поздовжньою віссю, виконаних із двох боків та розташованих на віддаленій від повздовжньої осі резервуара частині розподільника один відносно одного на меншій відстані, оскільки поверхня, яка повинна бути охоплена ними, значно більша. Повітря рівномірно розподіляється під плитою 7 тримача форсунок, утворюючи повітряну подушку. Цій конструкції системи розподілення повітря для зворотного промивання віддається особлива перевага. Така конструкція підвищує ефективність зворотного промивання як такого. Подавання води для зворотного промивання у цьому випадку відбувається через трубу, з'єднану з відводом 8' резервуара. Вода для зворотного промивання, яка під час її проходження крізь зерна піску забрала речови 95987 8 ни, затримані фільтрувальним шаром 6, після цього подається на зливання у центральну трубу 8, яка раніше застосовувалася для подавання призначеної для очищення води у фільтрувальний пристрій. Для цього у кінцевій частині згаданої труби 8 передбачена лійка 11 з розтрубом, який збільшується та розширюється догори. Конкретна форма лійки 11, яка має відігнутий край 31 по суті конічної форми, який розширюється донизу, уможливлює оптимальне виливання потоку та сприяє необхідному відділенню повітря від води для зворотного промивання: такому ефектові сприяє одночасне зменшення швидкості та утворення тонкої плівки у лійці, що сприяє виділенню повітря, що має меншу густину. Повітря, виділене з води, випускається через відповідний перепускний клапан 20, розташований у верхній частині резервуара 2. Лійка 11 також забезпечує належне розподілення води під час подавання для фільтрування. Процес фільтрування та подальші процеси зворотного промивання, які періодично необхідні для очищення фільтрувального шару, описані нижче. Процес фільтрування уможливлює видалення з призначеної для очищення води усіх суспендованих речовин, які викликають забруднення самої води, а також дозволяє обмежитися простим пропусканням призначеної для очищення води, або просто мулу, через одинарний фільтрувальний шар вибраного піску. Вода проходить крізь фільтрувальний шар 6 зверху донизу, і фільтрування відбувається внаслідок поступового гальмування твердих частинок завдяки втраті кінетичної енергії під час контактів/зіткнень із частинками піску. За варіантом, якому віддається перевага, швидкість фільтрування становить 40-70 м/год. Після певного циклу роботи фільтрувального пристрою його фільтрувальний шар має бути очищений або відновлений. Відновлення здійснюють за допомогою зворотного промивання, яке полягає у пропусканні води та/або повітря у напрямку, протилежному до напрямку фільтрування, тобто знизу догори, так щоб здійснювати зворотне промивання, яке уможливлює видалення бруду, накопиченого у фільтрувальному шарі, після чого відбувається зливання забрудненої води у вищезгадану центральну трубу. Така операція повинна бути дуже ефективною, оскільки фільтрувальний шар 6 має велику товщину, яка за варіантом, якому віддається перевага, становить від 2 м до 4 м, а розмір зерна за варіантом, якому віддається перевага, становить від 1 мм до 2 мм, внаслідок чого бруд дуже глибоко проникає у фільтрувальний шар. За варіантом, якому віддається перевага, зворотне промивання передбачає такі операції: - зливання; - подавання лише повітря для зворотного продування для здійснювання прочищення головки; - подавання повітряно-водної суміші для здійснювання ефективного зворотного промивання; - подавання лише води для зворотного промивання; - остаточне промивання потоком у напрямку фільтрування. 9 Під час виконання операції зливання воду, що міститься у резервуарі 2, зливають через відвід 8' для зменшення ваги водяного стовпа, яка діє на плиту 7. Зливання здійснюють для доведення рівня води близько верхньої поверхні фільтрувального шару приблизно на кілька сантиметрів вище нього. Цю операцію здійснюють для уможливлення швидшого, а передусім рівномірного початку подальшого утворення бульбашок повітря у фільтрувальному шарі. Операція подавання лише повітря для зворотного продування викликає утворення бульбашок повітря у шарі піску та подальше підніманнята розповсюдження бульбашок повітря у фільтрувальному шарі. Ця операція триває приблизно 1 хв. та уможливлює ефективне відділення бруду від частинок піску. За варіантом, якому віддається перевага, після цього здійснюють операцію подавання суміші повітря та води для зворотного промивання. Цю операцію здійснюють негайно після попередньої для швидкого видалення відділеного бруду, для запобігання його проникненню ще глибше у фільтрувальний шар. Таким чином, операцію зворотного промивання як таку здійснюють із застосуванням повітря та води. Повітря призначене також для відділення бруду від гранул піску, а вода призначена для транспортування видаленого бруду 95987 10 назовні. Ця операція є найважливішою та кількісно триває протягом часу, необхідного для зміни води, яка знаходиться у спученому об'ємі піску, щонайменше 10 разів. Турбулентність, утворена повітряно-водною сумішшю усередині зернистого матеріалу, уможливлює дуже ефективне промивання. Наступна операція передбачає подавання лише води для зворотного промивання. Ця операція триває 2-5 хв. і уможливлює рівномірне та однорідне осадження шару без утворення порожніх просторів, які можуть зменшувати ефективність фільтрування. Завершальною операцією зворотного промивання є промивання потоком у напрямку фільтрування, яке призначене для підготування фільтрувального пристрою до здійснення фільтрування, додатково ущільнюючи осаджений шар, а також для уможливлення видалення бруду, не видаленого під час виконання операції зворотного промивання, таким чином забезпечуючи отримання відмінно очищеної води одразу після відновлення роботи фільтрувального пристрою. Ця операція промивання триває приблизно 5 хв. За варіантом, якому віддається перевага, під час зворотного промивання швидкість повітря та води відповідно становить від 60 м/год до 110м/год та від 11 м/год до 14 м/год. 11 Комп’ютерна верстка Литвиненко Л. 95987 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601